SF6氣體在線凈化處理對設(shè)備內(nèi)部磁場分布的影響研究

袁志堅， 袁鏡江， 周斌

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000)

0 引 言

SF6氣體指六氟化硫氣體，具有優(yōu)越的絕緣性能以及滅弧性能[1]。SF6氣體通過機(jī)械制冷式深冷分離以及變壓吸附等處理凈化后符合《工業(yè)六氟化硫》技術(shù)指標(biāo)，凈化處理后SF6氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)99.98%以上，凈化后的SF6氣體可在高壓電器設(shè)備中循環(huán)再利用。

SF6氣體通過電弧作用分解形成具有較強(qiáng)反應(yīng)能力的有害分解產(chǎn)物[2]，尤其是其成分內(nèi)存在氧氣以及水分時，有害分解物與水分以及電機(jī)材料結(jié)合，形成大量成分極為復(fù)雜的化合物，令電力系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部金屬發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)的有機(jī)絕緣材料性能受到影響[3]，甚至可能危害高壓設(shè)備操作人員身體健康。SF6氣體屬溫室氣體，其造成的溫室效應(yīng)可高于二氧化碳兩萬多倍。電力設(shè)備內(nèi)部磁場分布情況對評估設(shè)備的安全性極為重要，本文分析SF6氣體在線凈化后電力設(shè)備內(nèi)部磁場的分布情況。

1 SF6氣體在線凈化原理

SF6氣體在線凈化處理原理如圖1所示。

圖1 SF6氣體在線凈化處理原理

SF6氣體在線凈化處理的倒轉(zhuǎn)裝置夾緊鋼瓶并倒轉(zhuǎn)，滿足所設(shè)定高度值后，利用安裝手動球閥的壓力軟管將倒轉(zhuǎn)裝置與汽化裝置連接，鋼瓶內(nèi)高壓SF6液體經(jīng)過汽化裝置氣化后轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪簹怏w，低壓氣體壓力約為0.6 MPa，低壓氣體向凈化處理單元吸附塔內(nèi)流動[4]，吸附原氣體的水分、雜質(zhì)以及部分空氣等。利用動力單元，將尾氣通過深冷分離單元的深冷容器內(nèi)的低溫液體向鋼瓶內(nèi)抽動。

動力單元內(nèi)儲氣罐壓力到達(dá)一定高度時，利用凈化處理單元，將氣體再次充入深冷容器內(nèi)，通過深冷處理后，將氣態(tài)空氣排放后進(jìn)行真空抽離，再將固態(tài)SF6氣體液化后，通過低溫低壓條件灌入鋼瓶內(nèi)。

SF6氣體在線凈化處理需要通過液態(tài)SF6凈化處理以及固態(tài)SF6凈化處理，提升SF6氣體的純度[5]。在液態(tài)情況下，其利用較小能量進(jìn)行分離，獲取已使用氣體90%左右的純凈SF6氣體；在固態(tài)情況下，將剩余10%左右純度氣體實施固化提純處理。

2 SF6氣體在線凈化處理設(shè)備內(nèi)部磁場控制方程構(gòu)建

為了分析SF6氣體在線凈化處理對設(shè)備內(nèi)部磁場強(qiáng)度分布影響，需要利用Maxwell方程組獲取SF6氣體在線凈化處理設(shè)備內(nèi)部磁場控制方程，由法拉第電磁感應(yīng)定律、高斯磁通定律、安培環(huán)路定律以及高斯電通定律組成感應(yīng)電磁場的控制方程,對設(shè)備內(nèi)部磁場分布情況進(jìn)行分析[6]。

1) 安培環(huán)路定律

假設(shè)電力設(shè)備內(nèi)部磁場強(qiáng)度H不受介質(zhì)以及磁場強(qiáng)度分布的影響，磁場強(qiáng)度沿不同閉合回路的線積分與穿過該積分獲取的曲面電流總和相同，即積分路徑包圍獲取的傳導(dǎo)電流以及位移電流相加的總電流與線積分相同。采用積分形式表示安培環(huán)路定律[7]，即：

(1)

式中:S與l分別為曲面邊界以及隨機(jī)閉合路徑矢量；K為位移電流矢量；D為電位移矢量；t為時間變量。通過安培環(huán)路定律可知傳導(dǎo)電流以及電場變換均可形成磁場。

2) 法拉第電磁感應(yīng)定律

設(shè)備內(nèi)部穿過閉合回路的磁通量與閉合回路內(nèi)感應(yīng)電動勢，隨時間變化呈現(xiàn)正態(tài)分布，通過積分形式表示為：

(2)

式中:E為電場強(qiáng)度矢量;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量。

通過法拉第電磁感應(yīng)定律可知電場受磁場影響的變化情況。

3) 高斯電通定律

在電力設(shè)備內(nèi)部電場中，閉合曲線的電通量不受電通密度矢量以及電解質(zhì)分布情況影響，閉合曲線電通量與包圍至該閉合曲線電荷量相同，電通密度與閉合曲面積分即為電通量，利用積分形式表現(xiàn)該定律為：

(3)

式中:Ω為設(shè)備內(nèi)部利用閉合曲面形成的體積區(qū)域；ρ為自由電荷體密度；V為閉合曲線電通量流轉(zhuǎn)速度。通過高斯電通定律可知電場由電荷通過發(fā)散形式形成。

4) 高斯磁通定律

在設(shè)備內(nèi)部磁場中，穿過隨機(jī)閉合曲面，不受磁通密度矢量以及磁介質(zhì)分布情況影響，磁通量恒為零，閉合曲線受磁通量矢量有向積分即磁通量的影響，以積分形式體現(xiàn)該定律為：

(4)

分析高斯磁通定律可知,設(shè)備內(nèi)部磁力線由閉合曲線組成。

綜上所述，設(shè)備內(nèi)部電場與磁場變化情況互相聯(lián)系，最終產(chǎn)生統(tǒng)一的電磁場。根據(jù)以上定律分析設(shè)備內(nèi)部電磁場的變化情況,構(gòu)建Maxwell方程組,對其進(jìn)行詳細(xì)分析。本文引入拉普拉斯算子，可得Maxwell方程組微分公式為：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:H與K分別為磁場強(qiáng)度矢量以及總電流密度矢量；KS與Ke分別為源電流密度矢量以及感應(yīng)電流密度矢量。在進(jìn)行磁場分布分析過程中遵循變分原理，通過儲能一直趨于最小的能量相關(guān)泛函，使函數(shù)值達(dá)到最小，從而誤差達(dá)到最小。通過設(shè)定泛函的各項待定系數(shù)的偏導(dǎo)系數(shù)，明確各待定系數(shù)值。

3 仿真試驗

3.1 試驗環(huán)境及參數(shù)

為了驗證所提方法的綜合有效性，進(jìn)行仿真試驗分析。利用AnsoftMaxwell 3D 電磁場仿真軟件建立SF6氣體在線凈化處理三維模型，檢測設(shè)備內(nèi)部鐵芯橫截面大小為160 mm×160 mm，將錳鋅鐵氧體作為鐵芯材料，鐵芯材料的相對磁導(dǎo)率以及電導(dǎo)率分別為8 100以及0；利用截面以及壁厚分別為12 mm×12 mm，壁厚為2 mm的紫銅方管繞制線圈，紫銅方管電導(dǎo)率以及相對磁導(dǎo)率分別為59 MS/m以及1；設(shè)置設(shè)備內(nèi)部氣隙長度為500 mm，處理裝置以及管道內(nèi)最大承受壓力≤2.5 MPa，正常環(huán)境溫度下在線凈化處理可連續(xù)工作運(yùn)行時長高達(dá)1 000 h以上。

3.2 試驗方案

利用示波器以及交流電流鉗測量空載情況下設(shè)備內(nèi)部線圈的輸出電流，賦值線圈的勵磁電流，獲取相應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況，通過探測線圈方法檢測氣隙內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度，與模擬結(jié)果對比檢測分析有效性。

3.3 試驗結(jié)果分析

為了驗證所提方法對設(shè)備內(nèi)部磁場分布的影響，分析了設(shè)備橫截面氣隙磁場感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量和切向分量的分布情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 氣隙磁場感應(yīng)強(qiáng)度分布情況

圖2可以看出，在相同環(huán)境下，所提方法對設(shè)備內(nèi)部磁場感應(yīng)強(qiáng)度分布的不同方向分量分布情況與其理想分布狀態(tài)吻合度較高。這是由于所提方法結(jié)合多種定律組成感應(yīng)電磁場的控制方程，對磁場感應(yīng)強(qiáng)度分量控制效果較好，驗證了所提方法的科學(xué)有效性。

4 結(jié)束語

本文分析了SF6氣體在線凈化處理對設(shè)備內(nèi)部磁場分布的影響。通過試驗得出以下結(jié)論：

(1)SF6氣體在線凈化處理后氣隙磁場感應(yīng)強(qiáng)度與理想分布值較為一致。

(2)凈化后氣體可在設(shè)備內(nèi)部氣隙內(nèi)形成磁場，設(shè)備內(nèi)部橫截面區(qū)域磁場以均勻狀態(tài)分布，符合凈化電磁需求。